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发布时间：2019-07-22 17:24所属平台：学报论文发表咨询网浏览： 次
摘要：目前，我国中央处理器(CPU)的发展主要有自主研发和引进技术两条路线。自主研发的CPU在性能和软件生态上能否赶超引进技术的CPU成为争论的焦点。首先论述了我国CPU发展不能仅着眼于单项技术瓶颈的突破和产品市场占有率的提高，还必须建立起自主可控的信
摘要：目前，我国中央处理器(CPU)的发展主要有自主研发和引进技术两条路线。自主研发的CPU在性能和软件生态上能否赶超引进技术的CPU成为争论的焦点。首先论述了我国CPU发展不能仅着眼于单项技术瓶颈的突破和产品市场占有率的提高，还必须建立起自主可控的信息技术与产业生态体系;然后结合龙芯CPU研发和产业化的实践，论述了只要结合应用需求进行持续改进，自主研发的CPU在性能和软件生态上就能赶超引进技术的CPU，满足我国自主信息化应用的需求;最后论述了自主抗辐照CPU的发展及在航天领域应用情况。
关键词：中央处理器;软件生态;抗辐照;自主可控
0引言
通用中央处理器(CPU)芯片是信息产业的基础部件，也是武器装备的核心器件。我国缺少具有自主知识产权的CPU技术和产业，不仅造成信息产业受制于人，而且国家安全也难以得到全面保障。“十五”期间，国家“863计划”开始支持自主研发CPU。“十一五”期间，“核心电子器件、高端通用芯片及基础软件产品”(“核高基”)重大专项将“863计划”中的CPU成果引入产业。
从“十二五”开始，我国在多个领域进行自主研发CPU的应用和试点，在一定范围内形成了自主技术和产业体系，可满足武器装备、信息化等领域的应用需求。但国外CPU垄断已久，我国自主研发CPU产品和市场的成熟还需要一定时间。目前，我国CPU的发展主要有自主研发和引进技术两条路线。后一路线的支持者认为，引进技术的CPU性能强于自主研发CPU，且引进技术的CPU软件生态更优。
很多自主研发路线的支持者也对坚持自主研发龙芯CPU的选择产生怀疑。在我国航天应用领域，高性能抗辐照处理器长期受国外禁运影响。要从根本上解决问题，摆脱对国外进口元器件的依赖，必须要有能力自主正向设计高性能抗辐照处理器。
1CPU概述
现代计算机大多采用冯·诺依曼结构，由存储器、运算器、控制器、输入设备、输出设备组成。控制器先从输入设备接收程序和数据，并将其存放在存储器中;然后从存储器取出程序和数据，将其送至运算器进行运算，并将运算结果保存到存储器中;最后将结果数据通过输出设备输出。其中，运算器和控制器被合称为CPU。
CPU从存储器中调取、执行指令并将执行结果写回存储器的过程被称为一个指令周期。计算机不断重复指令周期，直到完成程序的执行。计算机系统结构研究的一个主题就是不断缩短上述指令的执行周期，从而提高计算机运行程序的效率[1-2]。
相关研究者提出了许多提高指令执行效率的技术，包括精简指令系统计算机(RISC)技术[3]、指令流水线技术、高速缓存技术、转移预测技术、乱序执行技术[4]、超标量(多发射)技术[5]等。
在IBM时代，CPU体现为若干个柜子。由于该机在“两弹一星”的研制中起到了重要作用，因此又被称为功勋机。在Intel时代，CPU体现为一个芯片。2017年发布的龙芯3A3000处理器如图1(b)所示。该处理器集成4个CPU核心，每个核心都有独立的运算器和控制器，峰值浮点运算速度为24亿次/s。
在ARM时代，CPU体现为一个IP核，其中，软IP为源代码，硬IP为版图，授权给相关企业用于芯片设计，我国绝大多数手机芯片均采用ARM的CPU核设计。通过集成CPU、内存控制器、IO接口、互连等模块设计的芯片被称为系统级芯片(SoC)。CPU的价值在于承载生态。虽然全球80%左右的计算机由中国生产，但2011年，我国IT产业百强企业的利润总和仅为美国苹果公司的40%。
2016年，苹果公司和三星公司的手机利润占全球市场利润的94%。2017年，苹果、联想、英特尔、海思和展锐公司的销售收入及利润对比。其中，海思、展锐公司的利润不可查。
IT产业本质上是为客户提供解决方案，而解决方案决定最终的用户习惯，用户习惯则会形成很高的商业“门槛”。根据谷歌公司最近公布的资料，虽然谷歌公司的Android系统免费，但该系统给谷歌公司带来的盈利超过420亿美元，其根本原因在于谷歌公司控制了手机的解决方案。
我国IT产业的出路在于自主研发CPU和操作系统，建立独立于Wintel体系(IntelX86CPU+微软Windows操作系统)和AA体系(ARMCPU+Android操作系统)的自主技术和产业体系，而不是在已有的Wintel和AA体系中做产品。发展自主CPU的最终目标就是要建立自主可控的信息技术平台和产业体系。
从上述分析可看出，CPU的“体”是运算器加控制器，只有自主研发运算器和控制器才是自主CPU。引进国外的CPU核做芯片只能被称为自主SoC，直接引进国外设计的自主流片更不能被称为自主CPU。CPU的“相”可体现为机柜、芯片或IP。
CPU的“用”是承载软件生态，研制自主CPU的目标是“构建安全可控的信息技术体系”，而不是在已有体系中开发产品。有一种观点认为，X86和ARM产业生态好，因此发展自主CPU只能走与X86和ARM兼容的道路。但引进X86和ARM的CPU技术并不是对现有技术体系的创新，这样做很难动摇国外企业对技术平台的把控，长此以往会造成国内企业依赖现有国外IT生态的惰性，加剧国外企业已形成的垄断。
2建立自主可控的信息技术平台
要建立自主体系，应打造计算机系统的技术链，消除链上的技术难点。计算机系统分为应用程序、操作系统、硬件系统、晶体管4个层次[6]。第一层是应用程序。我国的应用软件(APP)较为发达，如社交、电商类APP已能与美国比肩。第二层是操作系统。操作系统负责为编写APP提供应用程序编程接口(API)。常见的API包括C语言、Java语言、JavaScript语言、OpenGL图形编程接口等。
我国基于上述API编程的工程师有很多，但能设计这些API软件(如Java虚拟机、C编译器等)的工程师则很少。第三层是以CPU为核心的硬件系统。CPU提供指令系统(ISA)作为软硬件界面。常见的ISA包括X86，ARM，MIPS等。我国每年使用ARM的CPU核研制的芯片销售额数以亿计，但其主要IP核都是市场上的大众化产品，同质化竞争严重。
第四层是晶体管。我国一直高度重视生产工艺的建设，虽然与国际水平还有一定差距，且主要生产设备依赖进口，但我国的生产工艺水平总体上可满足自主信息化需求。目前40nm低功耗工艺已经成熟稳定，28nm工艺亦趋于成熟。介于硬件系统与晶体管之间的工艺模型是芯片生产厂家提供给芯片设计者的界面，包括仿真电路模拟器(SPICE)模型、标准单元库、有关宏单元等。建立自主软硬件体系要走“应用牵引、系统优化、软硬结合、规范适用”的技术道路。
从系统的角度进行优化设计，做到在局部性能不如国外系统的情况下，整个系统的性能超过国外系统。例如：在某数据库应用中，使用X86服务器需50min，使用基于龙芯CPU的服务器，经过软硬件磨合只需80s;某雷达显控应用在海量目标场景下，X86高端商业计算机的图像处理速度为10帧/s，经过深度优化，龙芯平台可将处理速度提升至20帧/s。
现在的信息系统冗余较多，只要根据适用的原则进行系统优化，就可以做出集约型的优化系统。苹果公司产品iPAD的CPU性能不如Intel的桌面CPU，但因苹果公司坚持建立自主的软硬件体系，故iPAD的用户体验比桌面电脑要好。俄罗斯的CPU技术远不如我国，但因其坚持自主体系，故其武器装备水平性能也相对优越。
3龙芯CPU性能优化
“十二五”以来，自主CPU在应用试点过程中暴露出性能不足的问题。部分研究人员认为自主CPU满足不了应用需求，倾向于引进国外CPU，或使用引进的CPU核设计芯片。自主CPU是新事物，要用长远的眼光看待其发展，碰到问题和困难不应立刻下结论，而是要找真正的原因。只有“定位准确、机理清楚”，采取的措施才能有效。CPU的性能优化要紧密结合市场需求，将国外CPU发展趋势和我国自主信息化的具体需求相结合。
我国自主CPU的研发源自“十五”期间“863计划”的支持，自主进行技术攻关的CPU包括中国科学院计算机研究所的龙芯CPU、上海高性能CPU研发中心的申威CPU、国防科技大学的飞腾CPU等。在与产业结合过程中，由于科研与产业相背离的问题没有得到解决，因此虽然个别技术指标达到世界领先水平[7-8]，但桌面、服务器等的通用处理能力很低，系统中还存在明显短板。
经过深入分析发现，虽然“十二五”初期主要产品1GHz龙芯3A1000[9-10]的主频只有市场主流产品的1/3，但其性能的主要瓶颈仍是微结构差距导致流水线效率低，尤其是访存带宽与市场主流产品有较大差距，供数和供指令不足引起了指令流水线频繁阻塞。通过优化微结构设计，大幅提高了访存性能和转移猜测准确度，并通过增加有关队列解决指令流水线堵塞问题，使用境内40nm工艺研制出龙芯3A2000[11]。
虽然龙芯3A2000的主频仍是1GHz，但其通用处理性能为3A1000的2～3倍，访存带宽有较大提高。在此基础上，使用境外28nm工艺研制出的龙芯3A3000的主频提高到1.5GHz，通用处理性能达到3A1000的4～5倍。龙芯3A1000，3A2000。INT2006和FP2006分别是国际公认的CPU性能测试程序SPECCPU2006的定点和浮点测试集[12]，STREAM是国际公认的访存带宽测试集。表2还给出了1.5GHz的AMDK10处理器的测试结果。
1.5GHz的龙芯3A3000的综合性能与1.5GHz的AMDK10相当(测试时将AMDK10的主频降低到1.5GHz，主要是为了比较3A3000和K10的流水线效率)。龙芯软件生态建设我国应构建面向工控系统和信息系统的两大软件生态。一是面向“中国制造2025”的工业互联网生态体系。目前，不同的工控系统相互孤立且愈加复杂，如Android平台改变服务模式，实现了“软件即服务”。
我国需要一个“软件即制造”的平台来提升信息化水平，在该平台上实现使用APP即可进入相关领域的控制系统，如飞机、高铁等。二是面向自主信息化的桌面和服务器生态体系。如果说建设工业互联网生态是“开拓疆域”的话，那么建设信息系统生态就是“收复失地”。在桌面和服务器领域，必须建设信息系统生态。我国至少要发展面向国防、能源、交通、金融、电信等涉及国家安全和国民经济安全的自主基础软硬件平台。
生态的关键是开发者。对于系统开发者，技术平台要保持系统结构的长期稳定，要以保持操作系统二进制兼容为重点;对于应用开发者，技术平台要便于应用开发，要以完善应用程序编程接口为重点。5自主CPU在航天领域的应用现状与前景伴随我国航天事业的发展，航天型号任务中火箭、飞船和卫星的平台与载荷大规模采用的CPU主要用于信号处理、信号和设备控制、数据计算和传输，以及综合多任务调度。
航天装备的元器件、器部件和载荷必须采用宇航级器件以提升空间环境抗辐照的能力，这对国产化自主可控CPU提出了更高的要求[17-19]。现阶段，自主CPU在我国航天领域的应用情况主要为：1)通过反向设计，仿造国外同类型的抗辐照处理器，实现国产化的目标;2)采用未被禁运的商业级、工业级的高性能处理器产品，并对其进行筛选和航天工程化处理，满足型号任务对高性能处理器的需求[20-21]。
龙芯中科从2006年开始研制抗辐照CPU技术，经过10余年的积累，掌握了宇航级抗辐照处理器的技术重点和难点，推出系列抗辐照CPU产品。目前，龙芯抗辐照CPU主要发展两个系列：一是基于0.18μm体硅进行抗辐照加固设计的低端系列;二是基于0.13μm硅技术(SOI)工艺进行加固设计的高端系列。
6结束语
发展自主CPU应坚持走“以市场带技术”的自主研发道路，而不应走“以市场换技术”的引进技术道路。发展自主CPU，构建自主可控的信息技术体系，在航天领域研制高性能自主可控抗辐照处理器，是我国航天装备发展的需要。龙芯CPU研发和应用实践表明：坚持自主研发，坚持建设自主生态的CPU是很有必要的。
参考文献：
[1]HENNESSYJL，PATTERSONDA.Computerar-chitecture：aquantitativeapproach[M].5thed.Waltham，MA：Elsevier，2011：2-61.
[2]PATTERSONDA，HENNESSYJL.Computeror-ganizationanddesignMIPSedition：thehardware/softwareinterface[M].5thed.Waltham，MA：Elsevier，2013：60-163.
[3]PATTERSONDA，DITZELDR.Thecaseforthere-ducedinstructionsetcomputer[J].ACMSIGARCHComputerArchitectureNews，1980，8(6)：25-33.
[4]TOMASULORM.Anefficientalgorithmforexploi-tingmultiplearithmeticunits[J].IBMJournalofRe-searchandDevelopment，1967，11(1)：25-33.
[5]YEAGERKC.TheMIPSR10000superscalarmicroprocessor[J].IEEEMicro，1996，16(2)：28-41.
[6]BRYANTRE，O’HALLARONDR.Computersystems：aprogrammer’sperspective[M].UpperSaddleRiver：PrenticeHall，2003：1-19.
相关刊物推荐：《南京航空航天大学学报》Journal of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics(双月刊)曾用刊名：南京航空学院学报，创刊于1956年，主要刊登航空、航天、民航、机械、电子、电气、计算机材料科学以及管理等自然科学工程与技术领域的学术论文，反映具有一定学术水平和科技创新性的理论与实验研究成果。
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